Радиобиология (стр. 4 )

На начало 19 века приходится становление теории атомно-молекулярного строения мира. Доказать экспериментально, что каждый химический элемент состоит из одинаковых атомов, удалось лишь в 1808 г.

Сделал это английский химик и физик Джон Даль-

тон, вошедший в историю как создатель химического атомизма. Кстати он впервые описал дефект зрения, которым страдал сам, получивший название дальто-

низма (1794). Как известно, он связан с нарушением нормального цветоощущения. Сам Дальтон представ-

лял атомы в виде упругих шариков и настолько верил в их реальное существование, что даже рисовал на бума-

Дж. Дальтон ге атомы кислорода и азота.

(1

Тем не менее, результаты экспериментов Дальтона и других исследователей для многих ученых еще долгое время не являлись убедительными. Даже в начале ХХ века известный физик и философ Эрнст Мах с издёвкой спрашивал у приверженцев атомной теории: «А вы видели хоть один атом?».

В 1811 г. итальянский физик и химик Амедео Авогадро выдвинул гипотезу, согласно которой молекулы простых газов состоят из одного или нескольких атомов. На основе этой гипотезы Авогадро дал фор-

мулировку одного из основных законов идеальных газов и способ определения атомных и молекулярных масс. Однако молекулярная гипотеза А. Авогадро не была принята большинством физиков и химиков пер-

А. Авогадро (1 вой половины XIX века.

Он открыл один из газовых законов, названный его именем. На его осно-

ве был разработан метод определения молекулярного и атомного весов. Авогадро стал автором четырехтомного труда «Физика весовых тел, или трактат об общей конституции г. г.), который стал первым руковод-

ством по молекулярной физике.

Итак, все вещества в природе состоят из атомов. Их принято делить на

простые, состоящие из атомов одних и тех же элементов (О2, N2, H2 и т. д.),

и сложные, в состав которых входят атомы различных элементов (H2O, NaCl,

H2SO4 и др.).

Атом – это наименьшее структурное образование любого из простейших химических веществ, называемых элементами. Хотя понятие атома, как и сам термин, имеет древнегреческое происхождение, только в ХХ веке была твердо установлена истинность атомной гипотезы строения веществ.

Размер и масса атомов чрезвычайно малы. Так, диаметр самого легкого атома (водорода) составляет всего 0,53 . 10-8 см, а его масса 1,67 . 10-24 г.

Развитие исследований радиоактивного излучения, с одной стороны, и квантовой теории - с другой, привели к созданию квантовой модели атома Резерфорда - Бора. Но созданию этой модели предшествовали попытки построить модель атома на основе представлений классической электродинамики и механики.

После открытия электрона в 1897 г. Джозефом Джоном Томсоном (Нобелевская премия по физике, 1906) он обнаружил, что от атомов под действием сильного электрического поля отрываются заряженные частицы. По его оценкам, масса «атома электри-

чества» примерно в тысячу раз меньше массы атома водорода, а заряд точно совпадает с зарядом иона

Дж. Томсон () водорода.

Позднее, уже в 1910 и 1913 г. г., Роберт Милликен намного повысил точность измерений заряда и массы электрона. Хотя и по отношению к существованию самого электрона находились скептики. Так, знаменитый в свое время физик Оливер Лодж указывал в 1902 г: «Электрон - это чисто гипотетический заряд, изолированный от атома». Так, несмотря на отдельные мнения, к концу XIX века стало понятно, что частицы, еще меньшие, чем атомы, существуют реально, и что, скорее всего, они входят в состав атомов и являются носителями некоторого наименьшего количества электричества.

Важно, однако, то, что только через 100 лет после воскрешения атомных представлений, Уильям Томсон создал первую модель строения атома, в которой

предполагалось, что электроны занимают внешнюю часть атома.

Джозеф Томсон, развивая модель У. Томсона, в 1903 г. предлагает свою модель атома («пудинга с изюмом»): в положительную сферу вкраплены электроны. Они удерживаются внутри положительно заряженной сферы упругими силами. Те из них, которые находятся на поверхности, могут довольно легко «выбиваться», оставляя ионизованный атом (рис. 9).

Рис. 9. Модель строения атома Дж. Томсона

В многоэлектронных атомах электроны располагаются по устойчивым конфигурациям, рассчитанным Томсоном. Он считал каждую такую конфигурацию определяющей химические свойства атомов. Дж. Томсон предпринял попытку теоретически объяснить периодическую систему элементов .

Позднее Нильс Бор указал, что со времени этой попытки идея о разделении электронов в атоме на группы сделалась исходным пунктом. В 1911 г. Джозеф Томсон разработал так называемый метод парабол для измерения отношения заряда частицы к её массе, который сыграл большую роль в исследовании изотопов.

В 1903 г. с идеей о планетарной модели строения атома в Токийском физико-математическом обществе выступил японский теоретик Хантаро Нагаока, назвавший эту модель «сатурноподобной».

Х. Нагаока представил строение атома аналогичным строению солнечной системы: роль Солнца играет

положительно заряженная центральная часть атома,

вокруг которой по установленным кольцеобразным

орбитам движутся «планеты» - электроны. При незна-

чительных смещениях электроны возбуждают электро-

магнитные волны. Но его работа, о которой Э. Резер-

Х. Нагаока () форд не знал, не получила дальнейшего развития.

Но вскоре оказалось, что новые опытные факты опровергают модель Джозефа Томсона и, наоборот, свидетельствуют в пользу планетарной модели.

Эти факты были открыты выдающимся английским физиком Э. Резерфордом.

В первую очередь следует отметить открытие им ядерного строения атома.

Э. Резерфорд ()

Ученик Джозефа Томсона Эрнест Резерфорд (Нобелевская премия по химии, 1908) в результате знаменитых экспериментов по рассеянию золотой фольгой α-частиц «разделил» атом на маленькое положительно заряженное ядро и окружающие его электроны (рис. 10).

В 1908–1909 г. г. работавшие в университете Виктории (Манчестер, Англия) у Резерфорда Ханс Гейгер, который незадолго до этого сконструировал совместно с ним счетчик альфа-частиц, и Эрнест Марсден установили, что при прохождении альфа-частиц сквозь тонкие пластинки из золотой фольги подавляющее их большинство пролетает навылет, но единичные частицы отклоняются на углы больше 90о, т. е. полностью отражаются.

Рис. 10. Рассеяние альфа-частиц в опыте Э. Резерфорда

К – свинцовый контейнер с радиоактивным источником α-частиц,

Ф – золотая фольга, Э – экран, покрытый сульфидом цинка, М – микроскоп

Следует, однако, добавить, что еще в 1908 г. француз-

ский физик и математик Жюль Анри Пуанкаре писал в своей статье: «Все опыты над проводимостью газов… дают нам основание рассматривать атом, как состоящий из положительно заряженного центра, по массе равного приблизительно самому атому, причем вокруг этого цент-

ра вращаются, тяготея к нему, электроны». Но это был вывод теоретика, вывод аналитический и непроверенный.

() Доказательство же физических законов и принципов организации материи способен дать лишь эксперимент. Именно поэтому «отцом» планетарной модели строения атома (первой правильной, по сути) по праву считается Эрнест Резерфорд.

Отсюда Резерфорд в 1911 г. делает вывод о том, что такое возможно лишь в том случае, если «атом содержит центральный заряд, распределенный в очень малом объеме».

Много лет спустя Резерфорд вспоминал: «Гейгер ворвался ко мне в сильном

возбуждении и закричал: «Нам удалось зарегистрировать несколько альфа-частиц, которые претерпели обратное рассеяние!..». Это было поистине самое

невероятное событие в моей жизни. Оно было почти так же невероятно, как если бы вы выстрелили 15-дюймовым снарядом в лист папиросной бумаги, а он полетел в обратном направлении и попал в вас».

Большинство альфа-частиц пролетало сквозь фоль-

гу, отражалась лишь их малая часть, и Э. Резерфорд понял, что альфа-частицы отражаются, когда налета-

ют на маленькие массивные объекты, и что эти

объекты расположены далеко друг от друга. Так бы-

ли открыты атомные ядра. Объем ядра оказался в миллионы миллиардов раз меньше объема атома, и в этом ничтожно малом объеме находилось практичес-

Х. Гейгер () ски все вещество атома.

К этому времени уже знали, что электрический ток представляет собой поток частиц, эти частицы назвали электронами. И здесь Резерфорд обратился к планетарной модели строения атома.

Согласно ей он напоминал миниатюрную солнечную систему, в которой «планеты» - электроны вращаются вокруг «Солнца» - ядра (рис. 11).

Рис. 11. Планетарная модель строения атома Резерфорда-Бора

Благодаря работам Резерфорда стало ясно, как устроены атомы: в середине атома находится крохотное массивное ядро, а вокруг ядра «роятся» электроны и образуют легкую оболочку атома. При этом электроны, располагаясь и вращаясь в разных плоскостях, создают отрицательный суммарный заряд, а ядро - положительный. В целом атом же остается электронейтральным, так как положительный заряд ядра полностью компенсируется отрицательным зарядом электронов.

7 марта 1911 г. Резерфорд выступил в философском обществе Манчестера с докладом «Рассеяние α и β-лучей и строение атома». В нем он, в частности, отметил: «Рассеяние заряженных частиц может быть объяснено, если предположить такой атом, который состоит из центрального электрического заряда, сосредоточенного в точке и окруженного однородным сферическим распределением противоположного электричества равной величины. При таком устройстве α и β - частицы, когда они проходят на близком расстоянии от центра атома, испытывают большие отклонения, хотя вероятность такого отклонения мала».

Однако, согласно законам классической механики и электродинамики, вращение электрона вокруг ядра должно сопровождаться электромагнитным излучением с непрерывным спектром.

Но это противоречило известным еще с 1880 г. линейчатым спектрам газов и паров химических элементов.

Н. Бор ()

Противоречие разрешил в 1913 г. ученик Резерфорда датский физик Нильс Бор (Нобелевская премия по физике, 1922), разработав квантовую модель строения атома на основе квантовой теории излучения и поглощения света, созданной Максом Планком (Нобелевская премия по физике, 1918) и Альбертом Эйнштейном (Нобелевская премия по физике, 1921).

При этом Бору удалось объяснить и рассчитать теоретически линейчатые спектры испускания атомов водорода, а также серии линий в рентгеновских спектрах элементов.

Наибольшее значение имели работы немецкого физика-

теоретика М. Планка по термодинамической теории излучения, приведшие его к полуэмпирическому установле-

нию формулы распределения энергии в спектре электро-

магнитного излучения абсолютно чёрного тела (закон

излучения Планка), которая была доложена им на засе-

дании Берлинского физического общества. А спустя два

М. Планк () месяца (14 декабря 1900 г.) Планк продемонстрировал вывод этой формулы, основанный на предположении, что энергия осциллятора есть целое кратное величины hv, где v - частота излучения, a h — новая универсальная постоянная, названная Максом Планком элементарным квантом действия (сейчас - это постоянная Планка ). Введение этой величины было началом эпохи новой, квантовой физики.

Нильс Бор выдвинул предположение, что атом водорода (система протон-электрон) может находиться только в определенных стационарных энергетических состояниях (электрон – на определенных орбитах), причем одно из

них соответствует минимуму энергии и является основным (невозбужденным). Испускание или поглощение атомом энергии может происходить, согласно теории Бора, только при переходах электрона из одного энергетического состояния в другое (с одной орбиты на другую).

На основании этого Бор сформулировал свои постулаты:

1. Электрон в атоме находится в «стационарном» состоянии (движется по стационарной орбите) и никакой энергии не излучает.

2. Будучи выведенным из стационарного состояния (переведенным на другую орбиту), электрон, возвращаясь, излучает квант света hn = Е2 - Е1.

3. Электрон в атоме может находиться только на тех «разрешенных» орбитах, для которых момент количества движения (mvr) принимает некие дискретные значения, а именно mvr = nh/2p , где n - целое число 1, 2, 3…

Заряд ядра оказался важнейшей характеристикой атома. В 1913 г. было показано, что заряд ядра совпадает с номером элемента в таблице Менделеева.

Н. Бор писал: «С самого начала было ясно, что благодаря большой массе ядра и его малой протяженности в пространстве сравнительно с размерами всего атома, строение электронной системы должно зависеть почти исключительно от полного электрического заряда ядра. Такие рассуждения сразу наводили на мысль о том, что вся совокупность физических и химических свойств каждого элемента может определяться одним целым числом...».

Теория Бора позволяла очень точно вычислить положение линий в спектре испускания атомарного водорода. Однако она не могла предсказать соотношение интенсивностей линий даже в этой простейшей системе.

Для систем, содержащих более одного электрона, например атома гелия, теория Бора уже не давала точных значений спектральных линий.

Поэтому в 1923-26 г. г. Луи де Бройлем (Франция), Вернером Гейзенбергом (Германия) и Эрвином Шрёдингером (Австрия) была разработана новая теория квантовой (волновой) механики, за что они соответственно в 1929, 1932 и 1933 годах были удостоены Нобелевских премий по физике.

Л. де Бройль () В. Гейзенберг () Э. Шрёдингер ()

Блестящая идея, высказанная Гейзенбергом, состояла в том, чтобы рассматривать квантовые события как явления на совершенно ином уровне, чем в классической физике. Он подошел к ним как к явлениям, не допускающим точного наглядного представления, например с помощью картины вращающихся по орбитам электронов.

Через несколько месяцев Э. Шрёдингер предложил другую формулировку квантовой механики, описывающей эти явления на языке волновых понятий.

Подход Шрёдингера брал начало в работах Луи де Бройля, высказавшего гипотезу о так называемых волнах материи: подобно тому, как свет, традиционно считавшийся волнами, может обладать корпускулярными свойствами (фотоны или кванты излучения), частицы могут обладать волновыми свойствами.

Позднее было доказано, что матричная и волновая механики, по существу, эквивалентны. Взятые вместе, они образуют то, что ныне называется квантовой механикой. Вскоре эта механика была расширена английским физиком-теоретиком XX века Полем Дираком (Нобелевская премия по физике, 1933), включив-

шим в волновое уравнение элементы теории относи-

тельности Эйнштейна с учетом спина электрона.

П. Дирак ()

В основе современной теории строения атома лежат следующие основные положения:

1). электрон имеет двойственную (корпускулярно-волновую) природу. Он может вести себя и как частица, и как волна. Подобно частице, электрон обладает определенной массой и зарядом. В то же время, движущийся электрон проявляет волновые свойства, т. е. например, характеризуется способностью к дифракции. Длина волны электрона λ и его скорость v связаны соотношением де Бройля: λ = h / mv, где m - масса электрона;

2). для электрона невозможно одновременно точно, измерить координату и скорость. Чем точнее мы измеряем скорость, тем больше неопределенность в координате, и наоборот. Математическим выражением принципа неопределенности служит соотношение: ∆x∙m∙∆v > ћ/2,

где ∆х - неопределенность положения координаты;

∆v — погрешность измерения скорости;

3). электрон в атоме не движется по определенным траекториям, а может

находиться в любой части околоядерного пространства, однако вероятность его нахождения в разных частях этого пространства неодинакова. Пространство вокруг ядра, в котором вероятность нахождения электрона достаточно велика, называют орбиталью;

4). ядра атомов состоят из протонов и нейтронов (общее название - нуклоны). Число протонов в ядре равно порядковому номеру элемента, а сумма чисел протонов и нейтронов соответствует его массовому числу.

В 1932 г. наш отечественный физик Дмитрий Дмитриевич Иваненко и немецкий ученый Вернер Гейзенберг (Хайзенберг) независимо друг от друга высказали предположение, что нейтрон является наря-

ду с протоном структурным элементом ядра. Однако, протонно-нейтронная модель ядра была встречена большинством физиков скептически. Резер-

форд полагал, что нейтрон - это лишь сложное образо-

() вание протона и электрона.

В 1933 г. Дмитрий Иваненко выступил с докладом о модели ядра, в котором он защищал протонно-нейтронную модель, сформулировав основной тезис: в ядре имеются только тяжелые частицы. Иваненко отверг идею о сложной структуре нейтрона и протона. По его мнению, обе частицы должны обладать одинаковой степенью элементарности, т. е. и нейтрон, и протон способны переходить друг в друга.

В дальнейшем протон и нейтрон стали рассматриваться как два состояния одной частицы - нуклона, и идея Иваненко стала общепринятой, а в 1932 г. в составе космических лучей была открыта еще одна элементарная частица - позитрон.

В настоящее время существует гипотеза о делимости ряда элементарных частиц на субчастицы – кварки.

Кварки - это гипотетические частицы, из которых, как предполагается, мо-

гут состоять все известные элементарные частицы, участвующие в

сильных взаимодействиях (адроны).

Гипотеза о существовании кварков была высказана в 1964 г. независимо друг от друга американским физиком Мари Гелл-Манном (Нобелевская премия по физике, 1969) и австрийским (а впоследствии амери-

канским) ученым Георгом (Джорджем) Цвейгом с целью объяснения закономерностей, установленных для адронов.

Кстати, у термина «кварк» нет точного перевода. Он

М. Гелл-Манн (1929) имеет чисто литературное происхождение: был заимствован Гелл-Манном из романа Дж. Джойса «Поминки по Финнегану», где означал «нечто неопределенное», «мистическое». Такое название для частиц, очевидно, было выбрано потому, что кварки проявляли ряд необычных свойств, выделяющих их из всех известных элементарных частиц (например, дробный электрический заряд) [18].

На рисунке 12 изображена современная модель строения атома.

Рис. 12. Современная модель строения атома

Итак, атомы состоят из трех видов элементарных частиц. В центре атома

имеется ядро, образованное протонами и нейтронами. Вокруг него быстро вращаются электроны, образуя так называемые электронные облака. Количество протонов в ядре равно количеству электронов, движущихся вокруг него. Масса протона примерно равна массе нейтрона. Масса электрона гораздо меньше их масс (1836 раз).

Электрон (е-) - это устойчивая элементарная частица массой 9,1.10-28 г.

Напомним еще раз, что он был открыт в 1897 г. английским физиком Джозефом Джоном Томсоном.

Название «электрон» первоначально предложенное английским учёным

Джорджем Стони (1891) для заряда одновалентного иона происходит от греческого слова elektron, означающего «янтарь». Его заряд, измеренный в свое время американским физиком Робертом Милликеном (Нобелевская премия по физике, 1923), представляет собой наименьшее количество отрицательного электричества, существующее в природе. В зависимости от своей энергии, с кото-

рой электроны удерживаются вокруг ядра, они распределяются по электронным оболочкам или орбитам, которые обозначаются цифрами или

Р. Милликен () буквами, начиная от ядра: 1-K, 2-L, 3-M, 4-N, 5-O, 6-P, 7-Q.

Максимальное количество электронов, вращающихся на каждой орбите, строго определено. Так, на орбите К их только 2, L-8, М-18, N-32 и т. д.

Атомы, у которых внешняя электронная оболочка заполнена полностью, обладают особенно высокой устойчивостью и образуют группу химически неактивных инертных («благородных») газов (He, Ne, Ar, Kr, Xe и Rn).

Под действием бомбардировок элементарными частицами или квантами извне электроны способны переходить с одних орбит на другие или покидать пределы атома, присоединяясь к электронным оболочкам других атомов.

В первом случае возникает возбуждение, а во втором - ионизация атома.

Электрон участвует в электромагнитных, слабых и гравитационных взаимодействиях и проявляет многообразие свойств в зависимости от типа взаимодействий. Электрон - представитель единого обширного семейства элементарных частиц, и ему в полной мере присуще одно из основных свойств элементарных частиц - их взаимопревращаемость.

Электрон может рождаться в результате различных реакциях, самыми известными из которых являются распад отрицательно заряженного мюона (m-) на электрон, электронное антинейтрино () и мюонное нейтрино (nm):

,

а также бета-распад нейтрона на протон, электрон и электронное антинейтрино:

.

Последняя реакция является источником b-лучей при радиоактивном распаде ядер. Оба процесса – это частные случаи слабых взаимодействий. Примером электромагнитных процессов, в которых происходят превращения электрона может служить аннигиляция электрона и позитрона на два гамма-кванта: e - + e+ ® 2g.

Начиная с 60-х г. г. прошлого столетия интенсивно изучаются процессы образования сильно взаимодействующих частиц (адронов) при столкновении электронов с позитронами, например рождение пары пи-мезонов:

e- + е+ ® p- + p+.

Ядро атома имеет в среднем размер 10-13 см, что меньше диаметра самого атома от 10 до 100 тысяч раз. В его состав входят ядерные частицы - нуклоны (от греч. nucleos – «ядро»), которые представлены протонами и нейтронами.

Протон (р) – это устойчивая элементарная частица массой 1,008 а. е.м., что превышает массу электрона в 1836 раз. Эта частица несет в себе положительный одинарный заряд. Как известно, за одну атомную единицу массы в химии принята масса 1/12 части ядра изотопа С12, что составляет 1,66.10-27 кг.

Протон является сильно взаимодействующей частицей (адроном) и относится к «тяжёлым» адронам - барионам. Важнейшим примером сильного взаимодействия с участием протона являются ядерные силы, связывающие нуклоны в ядре. Экспериментальное исследование сильного взаимодействия в большой мере основано на опытах по рассеянию протонов и мезонов на протоны, в которых были открыты, в частности, новые сильно взаимодействующие частицы - антипротон, гипероны, резонансы.

Примерами слабого взаимодействия с участием протонов являются внутриядерные превращения протона в нейтрон и наоборот соответственно при бета-распаде ядер и электронном К-захвате. В 1953 г. наблюдался процесс, обратный b-распаду, - образование нейтрона и позитрона при поглощении свободным протоном антинейтрино, что было первым прямым экспериментальным доказательством существования нейтрино.

Ввиду стабильности протона, наличия у него электрического заряда и относительной простоты получения путем ионизации водорода, пучки ускоренных протонов являются одним из основных инструментов экспериментальной физики элементарных частиц. Очень часто «мишенью» в опытах по соударению частиц также являются свободные (ядра водорода) или связанные в ядрах протоны.

Нейтрон (n) был открыт в 1932 г. английским физии-

ком Джеймсом Чедвиком (Нобелевская премия по фи-

зике, 1935) при облучении бериллиевой мишени пото-

ком альфа-частиц, создаваемых полонием (рис. 13). Чед-

вик установил, что обнаруженное ранее немецкими физиками В. Боте и Г. Бекером проникающее излучение, которое возникает при бомбардировке атомных ядер

Дж. Чедвик () a-частицами, состоит из незаряженных частиц массой,

близкой к массе протона.

После этого всем стало понятно, что ядро состоит из протонов и электрически нейтральных нейтронов. Массу последних (1,009 а. е.м.) Дж. Чедвик совместно с М. Гольдхабером уточнил в 1935 г. и предсказал его бета-распад на протон, электрон и нейтрино.

Рис. 13. Схема эксперимента Дж. Чедвика, в котором был открыт нейтрон

Кстати, он же еще в 1920 г. экспериментально подтвердил равенство заряда ядра порядковому номеру элемента. В 1934-35 г. г. Чедвик совместно с М. Гольдха-

бером поставил опыты по фотодиссоциации дейтрона на нейтрон и протон под действием гамма-квантов. В 1943-45 г. г. он возглавил группу английских учёных, работавших в лаборатории Лос-Аламосса (США) над проектом создания атомной бомбы.

Нейтрон устойчив только в составе стабильных атомных ядер. В свободном состоянии - это нестабильная частица, распадающаяся на протон, электрон и электронное антинейтрино. Среднее время жизни этой частицы равно

приблизительно 16 мин. В веществе свободные нейтроны существуют ещё меньше (в плотных веществах – от 1 до 100 мксек) вследствие их сильного поглощения ядрами. Поэтому свободные нейтроны возникают в природе или получаются в лаборатории только в результате ядерных реакций.

В свою очередь, свободный нейтрон способен взаимодействовать с атомными ядрами, вплоть до самых тяжёлых. Исчезая, нейтрон вызывает ту или иную ядерную реакцию, из которых особое значение имеет деление тяжёлых ядер, а также радиационный захват нейтронов, приводящий в ряде случаев к образованию радиоактивных изотопов.

В зависимости от энергии нейтронов принята их условная классификация: ультрахолодные (до 10-7 эВ), очень холодные (10-7—10-4 эВ), холодные

(от 10-4 до 5.10-3 эВ), тепловые (от 5 . 10-3 до 0,5 эВ), резонансные (от 0,5 до

104 эВ), промежуточные (от 104 до 105 эВ), быстрые (от 105 до 108 эВ), высокоэнергичные ( эВ) и релятивистские (≥ 1010 эВ). Все нейтроны с энергией до 105 эВ объединяют под общим названием медленные нейтроны.

Нейтроны участвуют во всех известных взаимодействиях элементарных частиц: сильном, электромагнитном, слабом и гравитационном.

Итак, протоны, входящие в ядро, определяют его заряд, а сумма масс протонов и нейтронов – его массу, которая практически и составляет массу самого атома ввиду ничтожности величины масс электронов.

Число протонов в ядре всегда равно числу электронов. В ядрах легких и устойчивых изотопов число p и n совпадает (Н - 1р и 1n, Не – 2р и 2n, О – 8р и 8n и т. д.). В ядрах же тяжелых элементов количество нейтронов существен-

но превышает число протонов.

Для характеристики соотношения нуклонов в ядерной физике и химии принята следующая запись элементов:

А

Z X

где Х - символ элемента; А - массовое число; Z - заряд ядра (порядковый номер).

Таким образом, число протонов соответствует величине Z, а число нейтронов можно рассчитать по формуле: n = A-Z.

Например, 92U238 А = 238; Z = 92; n = 238 – 92 = 146

Нуклоны в ядре могут взаимно переходить друг в друга:

1). p ® n + e+ (позитрон) + υ (нейтрино) + Q

2). n ® p + e- (электрон) + υ~ (антинейтрино) + Q

В результате этих переходов нейтроны и протоны остаются в ядре, а позитроны, электроны, нейтрино и антинейтрино вылетают из него.

Протоны ядра, неся положительный заряд, испытывают силу взаимного отталкивания, которая выражается законом Кулона: электрическая сила взаимодействия двух точечных элементарных зарядов прямо пропорциональна их величине и обратно пропорциональна квадрату расстояния между ними. Так как расстояние между протонами в ядре ничтожно мало, величина силы отталкивания чрезвычайно велика. Что же удерживает протоны в ядре?

Нейтрон не обладает электрическим зарядом, и электрические силы на него не действуют. Поэтому физики предположили, что внутри ядра действуют какие-то неизвестные до сих пор силы, которые «склеивают» протоны и нейтроны в единое ядро. Так оно и оказалось.

Вскоре стали известны свойства этих сил, и в 1935 г. японский физик-теоретик Хидэки Юкава создал мезонную теорию ядерных сил взаимодействия.

А в 1938 г. он вместе со своим учеником Сёити Сакатой предсказал существование нейтральных мезонов, исходя из зарядовой независимости ядерных сил. За эти исследо-

вания Юкава в 1949 г., первым среди японских учёных получил, Нобелевскую премию.

В 1953 году он выдвинул идею частиц-переносчиков слабого взаимодействия, так называемых W-бозонов.

Х. Юкава ()

Но вернемся к ядерным силам сцепления, которые существуют благодаря наличию двух основных факторов:

1). нейтроны ядра выполняют роль своеобразного «разбавителя-буфера» протонов, не давая им взаимодействовать между собой;

2). между протонами и нейтронами действуют силы взаимного притяжения, которые отличны от электромагнитных и гравитационных сил.

Эксперименты с применением нейтронов показали, что между нуклонами существуют большие короткодействующие силы. Эти силы отличны от хорошо известных электростатических и гравитационных сил, не исчезающих даже на очень больших расстояниях.

Ядерные силы являются силами притяжения, что прямо следует из факта существования устойчивых ядер, вопреки электростатическому отталкиванию находящихся в них протонов. Ядерные силы между любой парой нуклонов (нейтронов и протонов) – одни и те же; это показывает сравнение энергетических уровней «зеркальных» ядер, отличающихся друг от друга тем, что в них протоны заменены нейтронами и наоборот. В пределах своего радиуса действия (до 10-13 см) ядерные силы достигают очень большой величины.

2.2. Эффект насыщения и дефект массы ядра

Эффект насыщения ядра связан с силами взаимного сцепления нуклонов. Последние определяются соотношением числа протонов и нейтронов в ядре. В стабильных (нерадиоактивных) ядрах соотношение p к n составляет обычно 1:1-1,2. В ядрах тяжелых радионуклидов это соотношение существенно сдвигается в сторону нейтронов и достигает значения 1:1,6.

Нуклоны в ядрах находятся в состояниях, существенно отличающихся от их свободных состояний. За исключением ядра обычного водорода во всех ядрах имеется не менее двух нуклонов, между которыми существует особое ядерное сильное взаимодействие - притяжение - обеспечивающее устойчивость ядер, несмотря на отталкивание одноименно заряженных протонов.